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JP5541664B2 - Method for measuring band gap electronic properties of wide gap semiconductors - Google Patents
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JP5541664B2 - Method for measuring band gap electronic properties of wide gap semiconductors - Google Patents

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Description

本発明は、ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性の計測方法に関する。 The present invention relates to a method for measuring band gap electronic properties of a wide gap semiconductor.

次世代の多機能デバイス用半導体において、バンドギャップ電子物性はデバイス特性に直結する極めて重要なファクターであり、その計測技術は重要である。例えば、非特許文献1には、半導体の表面にPtなどの貴金属によりショットキー電極を形成するSiやGaAs等のバンドギャップ電子物性計測技術が開示されている。 In next-generation semiconductors for multi-function devices, band gap electronic properties are extremely important factors directly related to device characteristics, and measurement techniques are important. For example, Non-Patent Document 1 discloses a band gap electronic property measurement technique such as Si or GaAs that forms a Schottky electrode with a noble metal such as Pt on the surface of a semiconductor.

Simon M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices" 2nd Edition, Chapter 5."Metal-Semiconductor Contacts" (p.245-311), JohnWiley & Sons, 1981 (published simultaneously in Canada)Simon M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices" 2nd Edition, Chapter 5. "Metal-Semiconductor Contacts" (p.245-311), JohnWiley & Sons, 1981 (published simultaneously in Canada)

しかし、特許文献1の技術では、GaN、ZnOなどのワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性は十分に計測することができない。その原因の1つに、物性計測に必要な良好なショットキーダイオードが作製できない点が挙げられる。一般的に、高感度な電気的計測には、Ptなどの仕事関数の大きい貴金属によりショットキー電極を形成する必要があるが、この場合、計測を行える半導体キャリア濃度の範囲が1×1016〜1×1017cm−3に限定されてしまうという問題があった。
また、ワイドギャップ半導体のバンドギャップ全体を調べるためには、光励起を利用した計測技術を好適に用いることができると考えられるが、貴金属によるショットキー電極では光を半導体内部に入射できないという問題があった。特に、デバイスの実用化を考える上でSi基板上にヘテロエピタキシャル成長した膜質(点欠陥準位)管理は極めて重要であるが、サファイア基板上エピ膜のように裏面からの光照射は行うことができないため、光励起を利用した計測技術を適用することができない。つまり、工業上重要なSi半導体基板に形成されたデバイス、材料への適用ができない。
However, the technique of Patent Document 1 cannot sufficiently measure the band gap electronic properties of wide gap semiconductors such as GaN and ZnO. One of the reasons is that a good Schottky diode necessary for measuring physical properties cannot be produced. Generally, for highly sensitive electrical measurement, it is necessary to form a Schottky electrode with a noble metal having a large work function such as Pt. In this case, the semiconductor carrier concentration range in which measurement is possible is 1 × 10 16 to There was a problem of being limited to 1 × 10 17 cm −3 .
In addition, in order to investigate the entire band gap of a wide gap semiconductor, it is considered that a measurement technique using photoexcitation can be suitably used. However, there is a problem that a noble metal Schottky electrode cannot enter light into the semiconductor. It was. In particular, when considering the practical application of the device, the film quality (point defect level) management heteroepitaxially grown on the Si substrate is extremely important, but it is not possible to irradiate light from the back like the epifilm on the sapphire substrate. Therefore, it is not possible to apply a measurement technique using photoexcitation. That is, it cannot be applied to devices and materials formed on industrially important Si semiconductor substrates.

そこで、本発明は、光励起を利用したワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性の計測方法を実現することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to realize a method for measuring the band gap electronic properties of a wide gap semiconductor using photoexcitation.

この発明は、上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法であって、ワイドギャップ半導体の表面に、当該ワイドギャップ半導体とショットキー接合が可能な透光性を有する有機金属膜を形成するショットキー電極形成工程を備え、単色光照射手段により、前記有機金属膜が形成されたワイドギャップ半導体に対し前記有機金属膜側から所定の波長の単色光を所定のタイミングと強度で照射し、電圧パルス発生手段により、前記有機金属膜が形成されたワイドギャップ半導体に所定のタイミングで所定電圧強度のパルス電圧を印加し、インピーダンス計測手段により、前記有機金属膜が形成されたワイドギャップ半導体のインピーダンスを検出し、前記パルス電圧印加後の所定波長の単色光照射環境下での前記インピーダンスに基づいて、照射した前記単色光の波長と、ショットキー電極直下に形成される電子空乏層のキャパシタンス又はコンダクタンスの変化率との対応関係により前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性を評価する、という技術的手段を用いる。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a band gap electronic property measurement method for a wide gap semiconductor, wherein the wide gap semiconductor and the Schottky junction are formed on the surface of the wide gap semiconductor. A Schottky electrode forming step of forming an organic metal film having translucency, and having a predetermined wavelength from the organic metal film side to the wide gap semiconductor on which the organic metal film is formed by monochromatic light irradiation means. A monochromatic light is irradiated at a predetermined timing and intensity, a pulse voltage of a predetermined voltage intensity is applied to the wide gap semiconductor formed with the organometallic film at a predetermined timing by a voltage pulse generating means, and the impedance measuring means The impedance of the wide gap semiconductor on which the organometallic film is formed is detected, and after the pulse voltage is applied Based on the impedance of the monochromatic light irradiation environment of constant wavelength, the wide by correspondence between the wavelength of the irradiated said monochromatic light, a capacitance or conductance change rate of the electron depletion layer formed immediately below the Schottky electrode A technical means for evaluating the band gap electronic properties of the gap semiconductor is used.

請求項1に記載の発明によれば、ショットキー電極形成工程において測定対象であるワイドギャップ半導体の表面に、当該ワイドギャップ半導体とショットキー接合が可能な透光性を有する、バンドギャップが広くて適当な仕事関数を有する導電性の有機金属膜をワイドギャップ半導体のショットキー電極として形成し、単色光照射手段により、単色光を有機金属膜側から照射し、電圧パルス発生手段により、有機金属膜が形成されたワイドギャップ半導体に所定のタイミングで所定電圧強度のパルス電圧を印加し、インピーダンス計測手段により、有機金属膜が形成されたワイドギャップ半導体のインピーダンスを検出することができる。
そして、パルス電圧印加後の所定波長の単色光照射環境下でのインピーダンスに基づいて、照射した単色光の波長と、ショットキー電極直下に形成される電子空乏層のキャパシタンス又はコンダクタンスの変化率との対応関係により、深い準位や価電子帯情報などの光学励起に応じた、キャパシタンスあるいはコンダクタンスの過渡応答特性を求め、ワイドギャップ半導体の深い準位や価電子帯情報などのバンドギャップ電子物性計測を高感度に行うことができる。
有機金属膜の仕事関数は貴金属よりも大きいため、1×1018cm−3程度の高キャリア濃度を有するワイドギャップ半導体においてもバンドギャップ電子物性計測が可能である。これにより、1×1016〜1×1018cm−3という広いキャリア濃度範囲内のワイドギャップ半導体のバンド構造解析が可能となる。高キャリア濃度の計測が可能となることから、従来技術では計測が困難であった半導体表面部のバンドギャップ物性情報を検出できる。
単色光照射手段により単色光を有機金属膜側から照射して計測を行うため、Siのような光を通さないような基板上に結晶成長した種々のワイドギャップ半導体の電子物性計測が可能であり、基板種を問わず各種半導体に適用可能である。
According to the first aspect of the present invention, the surface of the wide gap semiconductor to be measured in the Schottky electrode formation step has a light-transmitting property capable of forming a Schottky junction with the wide gap semiconductor, and has a wide band gap. A conductive organometallic film having an appropriate work function is formed as a Schottky electrode of a wide gap semiconductor, monochromatic light is irradiated from the organometallic film side by monochromatic light irradiation means, and an organometallic film is produced by voltage pulse generating means. A pulse voltage having a predetermined voltage intensity is applied to the wide gap semiconductor formed with a predetermined timing, and the impedance of the wide gap semiconductor on which the organometallic film is formed can be detected by the impedance measuring means.
Then, based on the impedance under the monochromatic light irradiation environment of a predetermined wavelength after applying the pulse voltage, the wavelength of the monochromatic light irradiated and the change rate of the capacitance or conductance of the electron depletion layer formed immediately below the Schottky electrode Based on the correspondence, the transient response characteristics of capacitance or conductance according to optical excitation such as deep level and valence band information are obtained, and band gap electronic property measurement such as deep level and valence band information of wide gap semiconductor is performed. It can be performed with high sensitivity.
Since the work function of the organic metal film is larger than that of the noble metal, band gap electronic property measurement is possible even in a wide gap semiconductor having a high carrier concentration of about 1 × 10 18 cm −3 . Thereby, the band structure analysis of a wide gap semiconductor within a wide carrier concentration range of 1 × 10 16 to 1 × 10 18 cm −3 becomes possible. Since it is possible to measure a high carrier concentration, it is possible to detect the band gap physical property information of the semiconductor surface portion, which was difficult to measure with the prior art.
Measurements are made by irradiating monochromatic light from the organic metal film side by means of monochromatic light irradiation means, so it is possible to measure the electronic properties of various wide gap semiconductors grown on a substrate that does not allow light such as Si to pass through. It can be applied to various semiconductors regardless of the substrate type.

請求項2に記載の発明では、請求項1に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法において、前記インピーダンスの測定周波数は、前記有機金属膜の遮断周波数以上の周波数に設定する、という技術的手段を用いる。 According to a second aspect of the present invention, in the method for measuring a band gap electronic property of a wide gap semiconductor according to the first aspect, the measurement frequency of the impedance is set to a frequency equal to or higher than a cutoff frequency of the organometallic film. Use appropriate means.

請求項2に記載の発明によれば、インピーダンスの測定周波数は、有機金属膜の遮断周波数以上の周波数に設定されるため、誘電分散の影響を回避することができ、計測精度を向上させることができる。 According to the second aspect of the present invention, since the impedance measurement frequency is set to a frequency equal to or higher than the cutoff frequency of the organometallic film, the influence of dielectric dispersion can be avoided and the measurement accuracy can be improved. it can.

請求項3に記載の発明では、請求項1または請求項2に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法において、前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性の評価に前記キャパシタンスの変化率を用いる場合、前記キャパシタンスの変化率を、前記インピーダンスの測定周波数を変えて測定し、測定周波数依存性に基づいて測定条件を設定し、バンドギャップ内準位情報を評価する、という技術的手段を用いる。 According to a third aspect of the present invention, in the method for measuring a band gap electronic property of a wide gap semiconductor according to the first or second aspect, the change rate of the capacitance is used for evaluating the band gap electronic physical property of the wide gap semiconductor. In this case, a technical means is used in which the change rate of the capacitance is measured by changing the measurement frequency of the impedance, the measurement condition is set based on the measurement frequency dependency, and the in-band gap level information is evaluated.

本発明のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法では、請求項3に記載の発明のように、キャパシタンスの変化率を、インピーダンスの測定周波数を変えて測定し、測定周波数依存性を調べることにより、バンドギャップ内準位情報が適切に得られる測定周波数を設定し、バンドギャップ内準位情報を評価することができる。 In the method for measuring the band gap electronic properties of the wide gap semiconductor according to the present invention, the change rate of the capacitance is measured by changing the impedance measurement frequency, and the dependency on the measurement frequency is examined, as in the third aspect of the invention. Thus, it is possible to set the measurement frequency at which the in-band gap level information is appropriately obtained and evaluate the in-band gap level information.

請求項4に記載の発明では、請求項1または請求項2に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法において、前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性の評価に前記キャパシタンスの変化率を用いる場合、前記キャパシタンスの変化率を、測定電圧を変えて測定し、測定電圧依存性に基づいて測定条件を設定し、表面層のバンドギャップ準位情報を評価する、という技術的手段を用いる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for measuring a band gap electronic property of the wide gap semiconductor according to the first or second aspect, the change rate of the capacitance is used for evaluating the band gap electronic physical property of the wide gap semiconductor. In this case, a technical means is used in which the change rate of the capacitance is measured by changing the measurement voltage, the measurement condition is set based on the measurement voltage dependency, and the band gap level information of the surface layer is evaluated.

本発明のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法では、請求項4に記載の発明のように、キャパシタンスの変化率を、測定電圧を変えて測定し、測定電圧依存性を調べることにより、表面層のバンドギャップ準位情報が適切に得られる測定電圧を設定し、表面層のバンドギャップ準位情報を評価することができる。 In the method of measuring the band gap electronic properties of the wide gap semiconductor according to the present invention, the change rate of the capacitance is measured by changing the measurement voltage and the dependence on the measurement voltage is examined, as in the invention of claim 4. It is possible to set the measurement voltage at which the band gap level information of the layer can be appropriately obtained and evaluate the band gap level information of the surface layer.

本実施形態で評価する半導体材料を備えた評価試料の構造を示す説明図である。図1(A)は評価試料の断面説明図であり、図1(B)は評価試料の半導体材料に有機金属膜を形成した状態の断面説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the evaluation sample provided with the semiconductor material evaluated in this embodiment. FIG. 1A is a cross-sectional explanatory view of an evaluation sample, and FIG. 1B is a cross-sectional explanatory view of a state in which an organometallic film is formed on a semiconductor material of the evaluation sample. 本実施形態で評価する半導体材料の電圧−電流特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the voltage-current characteristic of the semiconductor material evaluated by this embodiment. 本実施形態で評価する半導体材料の容量−電流特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the capacity | capacitance-current characteristic of the semiconductor material evaluated by this embodiment. 本発明で用いる評価装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the evaluation apparatus used by this invention. バンド構造の計測手法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the measuring method of a band structure. 本発明で計測可能なバンド構造の概念図である。It is a conceptual diagram of the band structure which can be measured by this invention. キャパシタンス及びアドミッタンスの測定周波数依存性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the measurement frequency dependence of a capacitance and admittance. 入射光エネルギーとキャパシタンスの変化量の関係を示すスペクトルの測定周波数依存性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the measurement frequency dependence of the spectrum which shows the relationship between incident light energy and the variation | change_quantity of a capacitance. 入射光エネルギーとキャパシタンスの変化量の関係を示すスペクトルの測定電圧(深さ領域)依存性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the measurement voltage (depth area) dependence of the spectrum which shows the relationship between incident light energy and the variation | change_quantity of a capacitance.

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。半導体のバンドギャップ電子物性評価としてGaN薄膜のバンドギャップ電子物性評価を例に説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The evaluation of the band gap electronic properties of a GaN thin film will be described as an example of the evaluation of the band gap electronic properties of a semiconductor.

まず、評価対象となる半導体薄膜上に、その半導体材料とショットキーダイオードを形成する透光性を有する有機金属膜を形成する。本実施形態では、図1(A)に示すように、c−Al基板11上にud(undope)−GaN膜12を介してn−GaN膜13を積層して形成された評価試料1を用意する。n−GaN膜13上にはInなどからなるオーミック性の金属電極14が形成されている。ここで、n−GaN膜13は、キャリア濃度6.3×1017cm−3でSiがドープされたGaN膜である。 First, a light-transmitting organometallic film for forming a semiconductor material and a Schottky diode is formed on a semiconductor thin film to be evaluated. In this embodiment, as shown in FIG. 1A, an evaluation sample formed by laminating an n-GaN film 13 on a c-Al 2 O 3 substrate 11 with a ud (undope) -GaN film 12 interposed therebetween. Prepare 1 On the n-GaN film 13, an ohmic metal electrode 14 made of In or the like is formed. Here, the n-GaN film 13 is a GaN film doped with Si at a carrier concentration of 6.3 × 10 17 cm −3 .

次に、図1(B)に示すように、n−GaN膜13上に、n−GaN膜13と例えば、1.2eVを超えるような高いショットキー障壁を形成する透光性を有する有機金属膜であるポリアニリン膜(PANI)により有機金属膜15を形成する。有機金属膜15は、例えば、ポリアニリン水溶液をスピンコートによりn−GaN膜13表面に塗布した後に150℃で焼成し、不要箇所を除去することにより形成する。有機金属膜15の膜厚は、例えば200nm程度に形成される。このように作製された有機金属膜15の光透過率は、波長250〜280nmでは75〜85%、280〜400nmでは90%、可視光領域では90%と透光性に優れている。 Next, as shown in FIG. 1B, a translucent organic metal that forms a high Schottky barrier exceeding 1.2 eV with the n-GaN film 13 on the n-GaN film 13, for example. An organometallic film 15 is formed by a polyaniline film (PANI) which is a film. The organic metal film 15 is formed, for example, by applying a polyaniline aqueous solution to the surface of the n-GaN film 13 by spin coating, baking at 150 ° C., and removing unnecessary portions. The thickness of the organic metal film 15 is formed, for example, to about 200 nm. The light transmittance of the organic metal film 15 produced in this way is 75 to 85% at a wavelength of 250 to 280 nm, 90% at a wavelength of 280 to 400 nm, and 90% in the visible light region, and is excellent in translucency.

有機金属膜15/n−GaN膜13に対して、電流−電圧特性を評価すると、図2に示すように、片対数表示による暗電流−電圧特性は整流特性を示しており、有機金属膜15とn−GaN膜13とによってショットキー障壁が形成されることが確認された。つまり、有機金属膜15とn−GaN膜13とによりショットキーダイオードが形成される。ここで、線形領域のフィッティングにより、ダイオード理想因子nは1.2、ショットキー障壁高さφ0は1.2eVと算出された。また、整流比は、1.8×10と良好な値を示した。 When the current-voltage characteristics of the organic metal film 15 / n-GaN film 13 are evaluated, as shown in FIG. 2, the dark current-voltage characteristics by the semi-logarithmic display indicate the rectification characteristics, and the organic metal film 15 It was confirmed that a Schottky barrier was formed by the n-GaN film 13. That is, the metal organic film 15 and the n-GaN film 13 form a Schottky diode. Here, the diode ideal factor n was calculated as 1.2 and the Schottky barrier height φ 0 was calculated as 1.2 eV by fitting in the linear region. Further, the rectification ratio was a good value of 1.8 × 10 6 .

また、電極に逆バイアスを印加したときのキャパシタンスを測定して容量−電圧特性を評価すると、図3に示すように、容量−電圧特性は、右下がりの直線関係を示した。ここで、線形領域の傾きからドナー濃度Nは、6.4×1017cm−3と算出された。また、X切片より、ビルトインポテンシャルVbiは、1.12eVと算出され、図2から求められたショットキー障壁高さφ0と良い一致をみた。これにより、有機金属膜15とn−GaN膜13とにより良好なショットキーダイオードが形成されていることが確認された。 Further, when the capacitance when the reverse bias was applied to the electrode was measured to evaluate the capacitance-voltage characteristic, the capacitance-voltage characteristic showed a straight line relationship to the right as shown in FIG. Here, the donor concentration N D is the slope of the linear region was calculated to 6.4 × 10 17 cm -3. From the X-intercept, the built-in potential Vbi was calculated to be 1.12 eV, which was in good agreement with the Schottky barrier height φ 0 obtained from FIG. Thereby, it was confirmed that a good Schottky diode was formed by the organic metal film 15 and the n-GaN film 13.

半導体材料上にその半導体材料とショットキーダイオードを形成する透光性を有する有機金属膜が形成された、図1(B)に示すような評価試料1の評価装置として、本発明の発明者の一部が開発した特開2008−14668号公報に記載の有機材料の評価装置を用いることができる。 As an evaluation apparatus for an evaluation sample 1 as shown in FIG. 1B in which a light-transmitting organometallic film for forming a semiconductor material and a Schottky diode is formed on a semiconductor material, the inventor of the present invention An organic material evaluation apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-14668, which is partially developed, can be used.

図4に示すように、評価装置2は、電圧パルス発生部21、インピーダンス計測部22、単色光照射部23及び制御部24を備えている。電圧パルス発生部21は、所定の電圧パルスを金属電極14と有機金属膜15との間に印加する。インピーダンス計測部22は、所定のタイミングで金属電極14と有機金属膜15との間のインピーダンスを計測する。単色光照射部23は、有機金属膜15に、所定の波長強度の光を所定のタイミングで照射する。 As shown in FIG. 4, the evaluation device 2 includes a voltage pulse generation unit 21, an impedance measurement unit 22, a monochromatic light irradiation unit 23, and a control unit 24. The voltage pulse generator 21 applies a predetermined voltage pulse between the metal electrode 14 and the organometallic film 15. The impedance measuring unit 22 measures the impedance between the metal electrode 14 and the organometallic film 15 at a predetermined timing. The monochromatic light irradiation unit 23 irradiates the organic metal film 15 with light having a predetermined wavelength intensity at a predetermined timing.

制御部24は、電圧パルス発生部21、インピーダンス計測部22及び単色光照射部23を制御し、条件設定部/測定制御部25、演算部26などを備えている。 The control unit 24 controls the voltage pulse generation unit 21, the impedance measurement unit 22, and the monochromatic light irradiation unit 23, and includes a condition setting unit / measurement control unit 25, a calculation unit 26, and the like.

条件設定部/測定制御部25は、単色光照射部23に対して光照射のタイミング、波長、強度を設定制御し、電圧パルス発生部21に対して電圧パルスの強度(パルス電圧)、パルス期間、印加タイミングを制御し、インピーダンス計測部22に対しては、インピーダンス計測のタイミング等を制御する。 The condition setting unit / measurement control unit 25 sets and controls the light irradiation timing, wavelength, and intensity for the monochromatic light irradiation unit 23, and the voltage pulse intensity (pulse voltage) and pulse period for the voltage pulse generation unit 21. The application timing is controlled, and the impedance measurement unit 22 is controlled with respect to the impedance measurement timing.

演算部26は、インピーダンス計測部22で計測されたインピーダンスの値を収集し、照射光データ(エネルギー換算値)、電圧パルスの印加タイミング、強度などのデータを得て、インピーダンスとの対応関係を演算・検出する。 The calculation unit 26 collects the impedance values measured by the impedance measurement unit 22, obtains data such as irradiation light data (energy conversion value), voltage pulse application timing, and intensity, and calculates a correspondence relationship with the impedance. ·To detect.

この評価装置2を用いて評価試料1の評価を行う。まず、図5(A)に示すように、光を遮断した状態で、金属電極14と有機金属膜15との間にゼロバイアス、もしくは、順方向電圧パルスを数マイクロ秒から数十秒印加することで、n−GaN膜13のバンドギャップ内準位に電荷注入を行う。ここで、陽極は有機金属膜15、陰極は金属電極14である。パルスの電圧値、パルス幅などは、評価対象である半導体材料への電荷注入性に応じて設定することができる。 The evaluation sample 1 is evaluated using the evaluation device 2. First, as shown in FIG. 5A, a zero bias or forward voltage pulse is applied between the metal electrode 14 and the organic metal film 15 for several microseconds to several tens of seconds with light blocked. Thus, charge injection is performed in the band gap level of the n-GaN film 13. Here, the anode is the organic metal film 15, and the cathode is the metal electrode 14. The voltage value, pulse width, etc. of the pulse can be set according to the charge injection property to the semiconductor material to be evaluated.

パルス電圧印加後、金属電極14と有機金属膜15に印加する電圧を測定電圧とし、所定の波長の単色光をn−GaN膜13に一定時間照射する。n−GaN膜13に単色光を照射すると、図6に示すようなバンドギャップ内で、浅い準位が短時間に熱励起し、続いて光学励起が発生する。この光学励起は、本実施形態において測定しようとするバンドギャップの深い準位からの励起を含んでいる。 After applying the pulse voltage, the voltage applied to the metal electrode 14 and the organic metal film 15 is used as a measurement voltage, and monochromatic light having a predetermined wavelength is irradiated to the n-GaN film 13 for a certain period of time. When the n-GaN film 13 is irradiated with monochromatic light, a shallow level is thermally excited in a short time within the band gap as shown in FIG. 6, and then optical excitation occurs. This optical excitation includes excitation from a deep band gap level to be measured in the present embodiment.

インピーダンス計測部22は、図5(C)に示すような、この熱励起及び光励起に基づくn−GaN膜13のキャパシタンスCの時間応答を計測する。 The impedance measuring unit 22 measures the time response of the capacitance C of the n-GaN film 13 based on this thermal excitation and optical excitation as shown in FIG.

以上の測定により、所定の波長の光照射に対するキャパシタンスの比の関係(変化率)が得られる。図5(B)に示すように、照射する単色光の波長を低エネルギー側から高エネルギー側に変更して繰り返し測定することにより、演算部26により、有機材料への入射光のエネルギーとキャパシタンスの変化率との関係を得ることができる。これにより、半導体材料のバンドギャップ内準位を、エネルギー的に浅い方向から深い方向へ順次検出することができる。 By the above measurement, the relationship (rate of change) of the ratio of capacitance to light irradiation with a predetermined wavelength can be obtained. As shown in FIG. 5 (B), by changing the wavelength of the monochromatic light to be irradiated from the low energy side to the high energy side and repeatedly measuring, the calculation unit 26 causes the energy and capacitance of the incident light to enter the organic material. A relationship with the rate of change can be obtained. As a result, the level in the band gap of the semiconductor material can be sequentially detected from the energy shallow direction to the deep direction.

本発明のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法によれば、ワイドギャップ半導体であるn−GaN膜13の表面に、当該ワイドギャップ半導体とショットキー接合が可能な透光性を有する有機金属膜を形成するショットキー電極形成工程により、バンドギャップが広くて仕事関数が大きいという特徴を有する導電性の有機金属膜15をワイドギャップ半導体のショットキー電極として形成し、単色光照射部23により、単色光として、例えば、十分に波長分解能の高い単色光を有機金属膜15側から分光照射し、電圧パルス発生部21により、有機金属膜15が形成されたワイドギャップ半導体n−GaN膜13に所定のタイミングで所定電圧強度のパルス電圧を印加し、インピーダンス計測部22により、有機金属膜15が形成されたワイドギャップ半導体n−GaN膜13のインピーダンスを検出することができる。
そして、パルス電圧印加後の所定波長の単色光照射環境下でのインピーダンスに基づいて、照射した単色光の波長と、キャパシタンス又はコンダクタンスの変化率との対応関係により、深い準位や価電子帯情報などの光学励起に応じた、キャパシタンスあるいはコンダクタンスの過渡応答特性を求め、ワイドギャップ半導体n−GaN膜13の深い準位や価電子帯情報などのバンドギャップ電子物性計測を高感度に行うことができる。
有機金属膜15の仕事関数は貴金属よりも大きいため、1×1018cm−3程度の高キャリア濃度を有するワイドギャップ半導体においてもバンドギャップ電子物性計測が可能である。これにより、1×1016〜1×1018cm−3という広いキャリア濃度範囲内のワイドギャップ半導体のバンド構造解析が可能となる。高キャリア濃度の計測が可能となることから、従来技術では計測が困難であった半導体表面部のバンドギャップ物性情報を検出できる。
単色光照射部23により単色光を有機金属膜15側から照射して計測を行うため、
Siのような光を通さない基板上に結晶成長した種々のワイドギャップ半導体の電気物性計測が可能であり、基板種を問わず各種半導体に適用可能である。
According to the method for measuring the band gap electronic properties of a wide gap semiconductor according to the present invention, a translucent organometallic film capable of forming a Schottky junction with the wide gap semiconductor on the surface of the n-GaN film 13 which is a wide gap semiconductor. Is formed as a wide-gap semiconductor Schottky electrode, and the monochromatic light irradiating unit 23 produces a monochromatic color. As the light, for example, monochromatic light having sufficiently high wavelength resolution is spectrally irradiated from the side of the organic metal film 15, and the voltage pulse generator 21 applies a predetermined amount to the wide gap semiconductor n-GaN film 13 on which the organic metal film 15 is formed. A pulse voltage having a predetermined voltage intensity is applied at the timing, and the impedance measurement unit 22 applies the organic metal film 1. It is possible to detect the impedance of the wide-gap semiconductor n-GaN layer 13 but are formed.
Based on the impedance under a monochromatic light irradiation environment of a predetermined wavelength after application of a pulse voltage, the deep level and valence band information can be determined by the correspondence between the wavelength of the emitted monochromatic light and the rate of change in capacitance or conductance. It is possible to obtain a transient response characteristic of capacitance or conductance in accordance with optical excitation such as, and to perform band gap electronic property measurement such as deep level and valence band information of the wide gap semiconductor n-GaN film 13 with high sensitivity. .
Since the work function of the organic metal film 15 is larger than that of the noble metal, the band gap electronic property measurement is possible even in a wide gap semiconductor having a high carrier concentration of about 1 × 10 18 cm −3 . Thereby, the band structure analysis of a wide gap semiconductor within a wide carrier concentration range of 1 × 10 16 to 1 × 10 18 cm −3 becomes possible. Since it is possible to measure a high carrier concentration, it is possible to detect the band gap physical property information of the semiconductor surface portion, which was difficult to measure with the prior art.
In order to perform measurement by irradiating the monochromatic light from the organic metal film 15 side by the monochromatic light irradiation unit 23,
Electrical property measurement of various wide-gap semiconductors grown on a substrate such as Si that does not transmit light is possible, and it can be applied to various semiconductors regardless of the substrate type.

ポリアニリンにより有機金属膜15を形成した場合、図7に示すように、10kHz(10Hz)近傍でキャパシタンスが急激に低下し、アドミッタンスがピークを有しており、遮断周波数は10kHzである。
誘電分散の影響を回避するためには、インピーダンスの測定周波数を有機金属膜15の遮断周波数以上に設定することが好ましい。例えば、ポリアニリンにより有機金属膜15を形成した場合では、インピーダンスの測定周波数は10kHz以上とすることが好ましい。
When the organic metal film 15 is formed of polyaniline, as shown in FIG. 7, the capacitance rapidly decreases in the vicinity of 10 kHz (10 4 Hz), the admittance has a peak, and the cutoff frequency is 10 kHz.
In order to avoid the influence of dielectric dispersion, it is preferable to set the impedance measurement frequency to be equal to or higher than the cutoff frequency of the organic metal film 15. For example, when the organometallic film 15 is formed of polyaniline, the impedance measurement frequency is preferably 10 kHz or more.

図8には、入射光エネルギー(eV)とフォトキャパシタンスΔCSS/Cの変化量の関係のスペクトルの測定周波数依存性を示す。ここで、キャパシタンスCは、基準状態(暗状態かつ、非電荷注入状態)での値であり、2NΔCSS/Cは、欠陥準位濃度(cm-3)を示すものである。測定周波数は1、10、100kHzの3水準とした。キャリア注入の電圧パルスはパルス電圧0V、パルス幅1.0sとした。また、測定電圧は−2Vとした。 FIG. 8 shows the measurement frequency dependence of the spectrum of the relationship between the incident light energy (eV) and the change amount of the photocapacitance ΔC SS / C 0 . Here, the capacitance C 0, the reference state (and the dark state, non-charge injection state) is the value at, 2N D [Delta] C SS / C 0 shows a defect level density (cm -3). The measurement frequency was three levels of 1, 10, and 100 kHz. The voltage pulse for carrier injection was set to a pulse voltage of 0 V and a pulse width of 1.0 s. The measurement voltage was −2V.

測定周波数1、10kHzに比べ、測定周波数100kHzではバンドギャップ電子物性が顕著に認められた。ここでは、n−GaN特有の欠陥準位であるT1、T2、T3準位、AlGaN/GaNヘテロ界面で検出される欠陥準位であるG1、G2準位、n−GaNの価電子帯情報であるNBE(Near Band Edge)が検出された。
このように、キャパシタンスの変化率を、インピーダンスの測定周波数を変えて測定し、測定周波数依存性を調べることにより、バンドギャップ内準位情報が適切に得られる測定周波数を設定し、高キャリア濃度のn−GaN膜13のバンドギャップ内準位情報を評価することができることが確認された。
Compared to the measurement frequencies of 1 and 10 kHz, the band gap electronic properties were remarkably observed at the measurement frequency of 100 kHz. Here, the T1, T2, and T3 levels that are peculiar defect levels of n-GaN, the G1, G2 levels that are detected at the AlGaN / GaN hetero interface, and the valence band information of n-GaN. A certain NBE (Near Band Edge) was detected.
In this way, the capacitance change rate is measured by changing the measurement frequency of the impedance, and by measuring the measurement frequency dependence, the measurement frequency at which the level information in the band gap is appropriately obtained is set, and the high carrier concentration It was confirmed that the level information in the band gap of the n-GaN film 13 can be evaluated.

図9には、入射光エネルギーとキャパシタンスの変化量の関係のスペクトルの測定電圧依存性を示す。ここで、測定電圧は、−2、−5、−8Vの3水準とした。キャリア注入の電圧パルスはパルス電圧0V、パルス幅1.0s、インピーダンス測定周波数は100kHzとした。測定電圧−2Vがn−GaN膜13表面からの測定深さレンジ42〜70nm、測定電圧−5Vが測定深さレンジ42〜98nm、測定電圧−8Vが測定深さレンジ42〜120nmにそれぞれ対応する。 FIG. 9 shows the measured voltage dependence of the spectrum of the relationship between the incident light energy and the amount of change in capacitance. Here, the measurement voltage was set to three levels of -2, -5, and -8V. The voltage pulse for carrier injection was 0 V, the pulse width was 1.0 s, and the impedance measurement frequency was 100 kHz. The measurement voltage −2V corresponds to the measurement depth range 42 to 70 nm from the surface of the n-GaN film 13, the measurement voltage −5V corresponds to the measurement depth range 42 to 98nm, and the measurement voltage −8V corresponds to the measurement depth range 42 to 120nm. .

測定電圧が−8、−5、−2Vの順、つまり、測定深さレンジが浅くなるほど、G1及びT3の準位密度が増加する傾向が認められた。G1準位とT3準位はGaN表面層で高密度に分布していることから、表面層のバンドギャップ準位計測も可能であることがわかった。これにより、キャパシタンスの変化率を、測定電圧を変えて測定し、測定電圧依存性を調べることにより、表面層のバンドギャップ準位情報が適切に得られる測定電圧を設定し、表面層のバンドギャップ準位情報を評価することができることが確認された。 It was recognized that the level density of G1 and T3 increased as the measurement voltage was in the order of −8, −5, −2V, that is, the measurement depth range became shallower. Since the G1 level and the T3 level are densely distributed in the GaN surface layer, it was found that the band gap level of the surface layer can also be measured. As a result, the change rate of capacitance is measured by changing the measurement voltage, and by measuring the measurement voltage dependence, a measurement voltage that appropriately obtains the band gap level information of the surface layer is set, and the band gap of the surface layer is set. It was confirmed that the level information can be evaluated.

(変更例)
本発明の評価方法を好適に用いることができるワイドギャップ半導体は、GaNに限定されるものではなく、有機金属膜と例えば1.2eVを超えるような高いショットキー障壁を形成するものを好適に用いることができる。例えば、AlN、BN、AlGaNなどの窒化物系、ZnO、SnO、TiOなどの酸化物系、ダイアモンド、SiCなどの炭化物系の半導体などを挙げることができる。また、p型、n型いずれの半導体でもよい。
(Example of change)
The wide gap semiconductor to which the evaluation method of the present invention can be preferably used is not limited to GaN, but preferably a semiconductor that forms an organic metal film and a high Schottky barrier exceeding 1.2 eV, for example. be able to. Examples thereof include nitride semiconductors such as AlN, BN, and AlGaN, oxide semiconductors such as ZnO, SnO 2 , and TiO 2, and carbide semiconductors such as diamond and SiC. Further, any of p-type and n-type semiconductors may be used.

有機金属膜15は、ワイドギャップ半導体とショットキー接合を形成することができればポニアニリンに限定されるものではなく、例えば、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホン酸)、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(エチレングリコール)ブロック共重合体などの導電性有機材料、特にホール伝導型有機材料を好適に用いることができる。 The organic metal film 15 is not limited to ponianiline as long as it can form a Schottky junction with a wide gap semiconductor. For example, polyacetylene, polyphenylene, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfone) is used. Acid), poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (ethylene glycol) block copolymer and other conductive organic materials, particularly hole-conducting organic materials can be suitably used.

[実施形態の効果]
(1)本発明のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法によれば、ワイドギャップ半導体であるn−GaN膜13の表面に、当該ワイドギャップ半導体とショットキー接合が可能な透光性を有する有機金属膜を形成するショットキー電極形成工程により、バンドギャップが広くて仕事関数が大きいという特徴を有する導電性の有機金属膜15をワイドギャップ半導体のショットキー電極として形成し、単色光照射部23により、単色光として、例えば、十分に波長分解能の高い単色光を有機金属膜15側から分光照射し、電圧パルス発生部21により、有機金属膜15が形成されたワイドギャップ半導体n−GaN膜13に所定のタイミングで所定電圧強度のパルス電圧を印加し、インピーダンス計測部22により、有機金属膜15が形成されたワイドギャップ半導体n−GaN膜13のインピーダンスを検出することができる。
そして、パルス電圧印加後の所定波長の単色光照射環境下でのインピーダンスに基づいて、照射した単色光の波長と、キャパシタンス又はコンダクタンスの変化率との対応関係により、深い準位や価電子帯情報などの光学励起に応じた、キャパシタンスあるいはコンダクタンスの過渡応答特性を求め、ワイドギャップ半導体n−GaN膜13の深い準位や価電子帯情報などのバンドギャップ電子物性計測を高感度に行うことができる。
有機金属膜15の仕事関数は貴金属よりも大きいため、1×1018cm−3程度の高キャリア濃度を有するワイドギャップ半導体においてもバンドギャップ電子物性計測が可能である。これにより、1×1016〜1×1018cm−3という広いキャリア濃度範囲内のワイドギャップ半導体のバンド構造解析が可能となる。高キャリア濃度の計測が可能となることから、従来技術では計測が困難であった半導体表面部のバンドギャップ電子物性情報を検出できる。
単色光照射部23により単色光を有機金属膜15側から照射して計測を行うため、Siのような光を通さないような基板上に結晶成長した種々のワイドギャップ半導体の電子物性計測が可能であり、基板種を問わず各種半導体に適用可能である。
[Effect of the embodiment]
(1) According to the band gap electronic property measurement method of a wide gap semiconductor of the present invention, the surface of the n-GaN film 13 which is a wide gap semiconductor has translucency capable of forming a Schottky junction with the wide gap semiconductor. Through the Schottky electrode forming process for forming the organometallic film, the conductive organometallic film 15 having a wide band gap and a large work function is formed as a wide-gap semiconductor Schottky electrode, and the monochromatic light irradiation unit 23 Thus, as the monochromatic light, for example, monochromatic light with sufficiently high wavelength resolution is spectrally irradiated from the metal organic film 15 side, and the wide-gap semiconductor n-GaN film 13 in which the metal organic film 15 is formed by the voltage pulse generation unit 21. A pulse voltage having a predetermined voltage intensity is applied to the electrode at a predetermined timing, and the organic gold is measured by the impedance measuring unit 22. It is possible to detect the impedance of the wide-gap semiconductor n-GaN film 13 film 15 is formed.
Based on the impedance under a monochromatic light irradiation environment of a predetermined wavelength after application of a pulse voltage, the deep level and valence band information can be determined by the correspondence between the wavelength of the emitted monochromatic light and the rate of change in capacitance or conductance. It is possible to obtain a transient response characteristic of capacitance or conductance in accordance with optical excitation such as, and to perform band gap electronic property measurement such as deep level and valence band information of the wide gap semiconductor n-GaN film 13 with high sensitivity. .
Since the work function of the organic metal film 15 is larger than that of the noble metal, the band gap electronic property measurement is possible even in a wide gap semiconductor having a high carrier concentration of about 1 × 10 18 cm −3 . Thereby, the band structure analysis of a wide gap semiconductor within a wide carrier concentration range of 1 × 10 16 to 1 × 10 18 cm −3 becomes possible. Since it is possible to measure a high carrier concentration, it is possible to detect the band gap electronic property information of the semiconductor surface portion, which was difficult to measure with the conventional technology.
Since the monochromatic light irradiation unit 23 irradiates the monochromatic light from the side of the organic metal film 15 and performs the measurement, it is possible to measure the electronic properties of various wide gap semiconductors grown on a substrate that does not transmit light such as Si. It can be applied to various semiconductors regardless of the substrate type.

(2)インピーダンスの測定周波数を、有機金属膜の遮断周波数以上の周波数に設定することにより、誘電分散の影響を回避することができ、計測精度を向上させることができる。 (2) By setting the impedance measurement frequency to a frequency equal to or higher than the cutoff frequency of the organic metal film, the influence of dielectric dispersion can be avoided and the measurement accuracy can be improved.

(3)キャパシタンスの変化率を、インピーダンスの測定周波数を変えて測定し、測定周波数依存性を調べることにより、バンドギャップ内準位情報が適切に得られる測定周波数を設定し、バンドギャップ内準位情報を評価することができる。 (3) The capacitance change rate is measured by changing the impedance measurement frequency, and the measurement frequency dependence is examined to set the measurement frequency at which band-band level information can be appropriately obtained. Information can be evaluated.

(4)キャパシタンスの変化率を、測定電圧を変えて測定し、測定電圧依存性を調べることにより、表面層のバンドギャップ準位情報が適切に得られる測定電圧を設定し、表面層のバンドギャップ準位情報を評価することができる。 (4) The capacitance change rate is measured by changing the measurement voltage, and the measurement voltage dependency is examined to set a measurement voltage at which the band gap level information of the surface layer can be appropriately obtained. Level information can be evaluated.

1…評価試料、
2…評価装置、
11…c−Al基板、
12…ud−GaN膜、
13…n−GaN膜、
14…金属電極、
15…有機金属膜、
21…電圧パルス発生部(電圧パルス発生手段)、
22…インピーダンス計測部(インピーダンス計測手段)、
23…単色光照射部(単色光照射手段)、
24…制御部、
25…測定制御部、
26…演算部
1 ... Evaluation sample,
2 ... Evaluation device,
11 ... c-Al 2 O 3 substrate,
12 ... ud-GaN film,
13 ... n-GaN film,
14 ... Metal electrode,
15 ... Organic metal film,
21 ... Voltage pulse generator (voltage pulse generator),
22: Impedance measuring section (impedance measuring means),
23: Monochromatic light irradiation unit (monochromatic light irradiation means),
24 ... control unit,
25. Measurement control unit,
26. Calculation unit

Claims (4)

ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法であって、
ワイドギャップ半導体の表面に、当該ワイドギャップ半導体とショットキー接合が可能な透光性を有する有機金属膜を形成するショットキー電極形成工程を備え、
単色光照射手段により、前記有機金属膜が形成されたワイドギャップ半導体に対し前記有機金属膜側から所定の波長の単色光を所定のタイミングと強度で照射し、
電圧パルス発生手段により、前記有機金属膜が形成されたワイドギャップ半導体に所定のタイミングで所定電圧強度のパルス電圧を印加し、
インピーダンス計測手段により、前記有機金属膜が形成されたワイドギャップ半導体のインピーダンスを検出し、
前記パルス電圧印加後の所定波長の単色光照射環境下での前記インピーダンスに基づいて、
照射した前記単色光の波長と、ショットキー電極直下に形成される電子空乏層のキャパシタンス又はコンダクタンスの変化率との対応関係により前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性を評価することを特徴とするワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法。
A band gap electronic property measurement method for a wide gap semiconductor,
A step of forming a Schottky electrode on the surface of the wide gap semiconductor to form a translucent organometallic film capable of Schottky junction with the wide gap semiconductor;
The monochromatic light irradiation means irradiates the wide gap semiconductor on which the organometallic film is formed with monochromatic light having a predetermined wavelength from the organometallic film side at a predetermined timing and intensity,
By applying a pulse voltage having a predetermined voltage intensity at a predetermined timing to the wide gap semiconductor on which the organometallic film is formed by the voltage pulse generating means,
The impedance measurement means detects the impedance of the wide gap semiconductor on which the organometallic film is formed,
Based on the impedance under a monochromatic light irradiation environment of a predetermined wavelength after application of the pulse voltage,
A band gap electronic property of the wide gap semiconductor is evaluated based on a correspondence relationship between the wavelength of the irradiated monochromatic light and the capacitance or conductance change rate of an electron depletion layer formed immediately below the Schottky electrode. Band gap electronic property measurement method of gap semiconductor.
前記インピーダンスの測定周波数は、前記有機金属膜の遮断周波数以上の周波数に設定することを特徴とする請求項1に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法。 The method of measuring a band gap electronic property of a wide gap semiconductor according to claim 1, wherein the measurement frequency of the impedance is set to a frequency equal to or higher than a cutoff frequency of the organometallic film. 前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性の評価に前記キャパシタンスの変化率を用いる場合、前記キャパシタンスの変化率を、前記インピーダンスの測定周波数を変えて測定し、測定周波数依存性に基づいて測定条件を設定し、バンドギャップ内準位情報を評価することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法。 When the change rate of the capacitance is used to evaluate the band gap electronic properties of the wide gap semiconductor, the change rate of the capacitance is measured by changing the measurement frequency of the impedance, and the measurement condition is set based on the measurement frequency dependency. The band gap electronic property measurement method for a wide gap semiconductor according to claim 1, wherein the in-band gap level information is evaluated. 前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性の評価に前記キャパシタンスの変化率を用いる場合、前記キャパシタンスの変化率を、測定電圧を変えて測定し、測定電圧依存性に基づいて測定条件を設定し、表面層のバンドギャップ準位情報を評価することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性計測方法。 When the change rate of the capacitance is used for evaluating the band gap electronic physical properties of the wide gap semiconductor, the change rate of the capacitance is measured by changing the measurement voltage, the measurement condition is set based on the measurement voltage dependency, and the surface 3. The band gap electronic property measurement method for a wide gap semiconductor according to claim 1, wherein band gap level information of the layer is evaluated.
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